Blue Gene

Blue Gene – architektura superkomputerów rozwijana przez IBM we współpracy z Lawrence Livermore National Laboratory oraz Departamentem Energii USA. Obecnie istnieją trzy generacje tej architektury: BlueGene/L, BlueGene/P oraz BlueGene/Q.

Projektowi Blue Gene został w 2009 przyznany National Medal of Technology^[1].

W grudniu 1999 roku IBM ogłosił zainwestowanie 100 milionów dolarów w pięcioletni projekt budowy superkomputera przeznaczonego do symulacji procesów zwijania białek. Celem tego projektu, poza samymi symulacjami, było opracowanie tańszej i efektywniejszej technologii obliczeń równoległych. W listopadzie 2001 IBM nawiązał współpracę w ramach tego projektu z Lawrence Livermore National Laboratory^[2].

We wrześniu 2004 roku IBM ogłosił, że prototypowy superkomputer o nowej architekturze, posiadający 8 tysięcy procesorów, osiągnął wydajność 36,01 TFLOPS w teście LINPACK, prześcigając dotychczasowego rekordzistę Earth Simulator o wydajności 35,86 TFLOPS. Po rozbudowie do 16 tysięcy procesorów i osiągnięciu wydajności 70,72 TFLOPS, w listopadzie 2004 roku nowy superkomputer został odnotowany na pierwszym miejscu listy TOP500^[3], jako najszybszy superkomputer na świecie. Kolejne wersje superkomputerów opartych na tej architekturze znajdowały się na szczycie tej listy przez kolejne trzy lata, osiągając 135,5 TFLOPS w czerwcu 2005 roku, 280,6 TFLOPS w listopadzie 2005 roku i 478,2 TFLOPS w listopadzie 2007 roku^[4].

26 czerwca 2007 roku IBM zaprezentował drugą generację superkomputera Blue Gene – Blue Gene/P, zaprojektowaną, aby uzyskać 1 PFLOPS^[5].

Architektura Blue Gene/P oparta jest na procesorach IBM PowerPC 450, taktowanych zegarami o częstotliwości 850 MHz. Cztery procesory zintegrowane są na jednym układzie scalonym. 32 takie układy montowane są na jednej płycie, a 32 płyty mieszczą się w jednym racku. Pojedynczy rack zawiera więc 4096 procesorów i może wykonywać 14 bilionów operacji na sekundę. Aby uzyskać 1 PFLOPS potrzebne są 72 takie racki, czyli łącznie 294 912 procesorów. Wydajność energetyczna systemów Blue Gene/P to maksymalnie 378 MFLOPS/W, a system o wydajności 1 PFLOPS zużywa około 2,27 MW mocy^[6]. Maksymalna możliwa konfiguracja to 216 racków, co umożliwia uzyskanie 3 PFLOPS^[7].

Pomiędzy komputerami Blue Gene/L i Blue Gene/P istnieje kilka zasadniczych różnic. W systemie P zastosowano czterordzeniowe procesory (w L były dwurdzeniowe), które są taktowane szybszym zegarem (850 MHz zamiast 700 MHz). Blue Gene/P korzysta też z większej pamięci operacyjnej oraz wykorzystuje tryb SMP (ang. symmetric multiprocessing – przetwarzanie symetryczne), dzięki czemu można go programować podobnie jak programuje się komercyjnie dostępne klastry komputerowe. System operacyjny superkomputera Blue Gene/P bazuje na Linuksie, a aplikacje można tworzyć w standardowych językach programowania, takich jak Fortran, C czy C++.

Pierwszy system oparty na architekturze Blue Gene/P, nazywany JUGENE, został uruchomiony 12 listopada 2007 roku w Centrum Badawczym w Jülich^[8]. Posiadał 65535 procesorów, miał moc obliczeniową 180 TFLOPS i był w lutym 2009 roku najszybszym superkomputerem w Europie i szóstym na świecie. W maju 2009 roku został rozbudowany do pełnej konfiguracji, osiągając wydajność 1 PFLOPS.

W kolejnych latach IBM zainstalował wiele systemów opartych na architekturze Blue Gene/P. Moc obliczeniowa największych to:

• 450 TFLOPS – zainstalowanego w Argonne National Laboratory w 2007 roku^[9],
• 415 TFLOPS – zainstalowanego w Lawrence Livermore National Laboratory w 2009 roku^[10],
• 190 TFLOPS – zainstalowanego w King Abdullah University of Science and Technology w Arabii Saudyjskiej w 2009 roku^[11].

Architektura Blue Gene/Q powstała jako dalsze rozwinięcie Blue Gene/P. Wykorzystuje procesory o 18 rdzeniach (16 na obliczenia, jeden na system operacyjny i jeden rezerwowy)^[12] z Hyper-Threadingiem umożliwiającym uruchamianie 4 wątków na każdym rdzeniu. Procesory taktowane są zegarem 1,6 GHz i osiągają wydajność 204 GFLOPS przy zużyciu mocy wynoszącym 55 watów^[12]. Prototypowy system oparty na tej architekturze został zaprezentowany w listopadzie 2010 roku. Uzyskał wydajność 1684 MFLOPS/W i znalazł się na pierwszym miejscu listy Green500, jako najbardziej energooszczędny system komputerowy na świecie^[13].

W czerwcu 2012 superkomputer Sequoia oparty na architekturze Blue Gene/Q zajął pierwsze miejsce na liście najszybszych komputerów świata TOP500. Zbudowany z 98 304 procesorów i posiadający łącznie ponad 1,5 miliona rdzeni, osiągnął moc obliczeniową 16324 TFLOPS^[14]. Na tej samej liście znalazło się pięć kolejnych komputerów Blue Gene/Q o mocy przewyższającej 1 PFLOPS^[15]:

• 8162 TFLOPS – Mira, zainstalowany w Argonne National Laboratory,
• 1725 TFLOPS – Fermi, zainstalowany w Uniwersytecie Bolońskim we Włoszech,
• 1380 TFLOPS – JUQUEEN, zainstalowany w Forschungszentrum Jülich w Niemczech,
• 1207 TFLOPS – Blue Joule, zainstalowany w Daresbury Laboratory w Wielkiej Brytanii,
• 1042 TFLOPS – DiRAC, zainstalowany w Uniwersytecie Edynburskim w Wielkiej Brytanii.

Ogółem, w czerwcu 2012 roku wśród 10 najszybszych superkomputerów świata 4 były oparte na architekturze Blue Gene/Q, a wśród 50 najszybszych – 12^[15].